基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)設(shè)計

張青鳳

摘? 要： 傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)的讀、寫性能差，無法安全存儲高密度信息。故設(shè)計基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由FPAG接口模塊和PCIE硬核模塊組成，主要負責(zé)安全存儲高密度信息。系統(tǒng)軟件使用NAND FLASH作為控制程序，主要負責(zé)壞塊管理。軟、硬件結(jié)合，完成基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)的設(shè)計。最后通過仿真實驗，測試兩個系統(tǒng)的讀、寫功能是否符合設(shè)計需求。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)可以完成高密度數(shù)據(jù)的讀、寫請求操作。

關(guān)鍵詞： 高密度信息; 信息安全存儲; 系統(tǒng)設(shè)計; 數(shù)據(jù)讀寫; 系統(tǒng)測試; 仿真驗證

中圖分類號： TN915.08?34; TP368.5? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0083?03

Design of high?density information security storage system based on big data

ZHANG Qingfeng

（Yuncheng University， Yuncheng 044000， China）

Abstract： As the traditional storage system has poor reading and writing performance and cannot safely store high?density information， a high?density information security storage system based on big data is designed. The hardware of the system is composed of FPAG interface module and PCIE hard core module， and is mainly responsible for the safe storage of high?density information. In the software of the system， the NAND Flash is used as the control program， which is mainly charge of the bad block management. The design of high?density information security storage system based on large data is completed in combination of hardware and software. The simulation experiment was performed to test whether the reading and writing functions of the two systems meet the design requirements. The experimental results show that the proposed system can complete the reading and writing requirements for high?density data.

Keywords： high?density information; information security storage; system design; data reading and writing; system testing; simulation verification

0? 引? 言

傳統(tǒng)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)存在讀、寫性能差的缺陷，為此提出基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)設(shè)計。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)的高密度大容量存儲特性，來改變系統(tǒng)讀、寫請求操作步驟。因為大型數(shù)據(jù)集要向成百上千的電腦分配工作，所以需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理大量的容忍經(jīng)過時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，使這些含有意義的數(shù)據(jù)“增值” [1]。

系統(tǒng)硬件設(shè)計配合多種功能需求，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將采樣的高密度信息存儲至系統(tǒng)內(nèi)存。為解決傳統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)在對數(shù)據(jù)采樣時存在帶寬、數(shù)據(jù)存儲質(zhì)量上的缺陷這一問題，硬件采用Xilinx Virtex6 FPGA內(nèi)嵌 PCIE核的方式，完成高密度信息安全傳輸。

1? 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件上搭建Virtex6 FPGA為控制中心，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)作為高密度信息讀寫的基礎(chǔ)[2]。以DDES為高密度大容量緩存，以6路高密度收發(fā)器TLK為標(biāo)準接口，來實現(xiàn)DDR3存儲接口和緩存模塊的設(shè)計。基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)硬件總體設(shè)計如圖1所示。

PICE接收控制板通過6路TLK2711實現(xiàn)與存儲器的接口連接，將接收的數(shù)據(jù)送入FPGA[3]。再通過FPGA 將接收數(shù)據(jù)存入DDR3模塊，再以DMA寫的方式上傳到系統(tǒng)內(nèi)存，最后通過6路TLK2711將高密度信息安全存儲到DRR3[4]

FPAG接口模塊采用Xilinx Virtex6 FPGA，負責(zé)高密度DMA讀寫。以DDR3作為高密度信息安全存儲空間[5]，傳輸帶寬使用PCIE硬核，用Virtex6 FPGA簡化DDR3接口[6?7]。PCIE硬核模塊，采用Xilinx Virtex6 FPGA內(nèi)嵌PCIE硬核模塊。

2? 軟件功能設(shè)計

利用大數(shù)據(jù)可變性的特征，處理 NAND FLASH 軟件控制程序中的壞塊。NAND FLASH可與數(shù)據(jù)和地址共用一條總線[8]。軟件控制結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2中ECC模塊主要負責(zé)校驗碼的生產(chǎn)、存儲和讀取等[9]。首先，需將輸入數(shù)據(jù)的位寬設(shè)置為64 bit，且每次讀取寫入的數(shù)據(jù)為64 KB;其次，將原本緩存的大小調(diào)整為原來寫入數(shù)據(jù)量的2倍;最后，通過編程操作將已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存入NAND FLASH陣列，而外部數(shù)據(jù)會被自動寫入輸入緩存[10]。為解決ECC模塊與兩個緩存模塊會打亂主控邏輯模塊產(chǎn)生操作時序這一問題，需連接NAND FLASH芯片，采用簡單的信號定義，調(diào)整模塊在主控邏輯操作中的步驟。控制程序接口信號定義如表1所示。

根據(jù)表1確定命令轉(zhuǎn)移順序，從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)狀態(tài)，完成后開始擦除工作。在執(zhí)行擦除任務(wù)時，需根據(jù)擦除指令狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖擦除冗余數(shù)據(jù)，如圖3所示。

在執(zhí)行擦除指令后，使用chipscope 完成編程指令。編程結(jié)束需通過讀狀態(tài)寄存器查詢編程是否創(chuàng)建成功。若不成功，記為壞塊。若在壞塊存取數(shù)據(jù)時發(fā)生錯誤，需使用NAND FLASH屏蔽壞塊。在此過程中，為防止讀取出現(xiàn)錯誤，利用矩陣的行信息檢驗ECC校驗碼檢驗錯誤。軟硬件結(jié)合，完成基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)的設(shè)計。

3? 實驗分析

實驗重點測試基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)的讀、寫請求操作是否符合設(shè)計需求，驗證DDR3存儲接口、PICE模塊、FPAG接口模塊和軟件控制程序設(shè)計的正確性。最后，給出傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)和所提系統(tǒng)的讀、寫性能測試結(jié)果，再通過仿真分析，驗證所提系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

3.1? 系統(tǒng)寫測試驗證

上行FIFO與DDR3交互，會向DDR3寫入命令和數(shù)據(jù)，完成DDR3寫請求操作。傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)寫測試仿真驗證結(jié)果見圖4。

在完成整個初始化過程后，使用所提系統(tǒng)處理信號phy_init_done置為有效。當(dāng)DDR3內(nèi)存不滿，且DDR3上行FIFO 不空，可對應(yīng)圖4中的ddr3_fifo_full信號。若命令與地址FIFO準備好接收命令，寫數(shù)據(jù)FIFO準備好接收數(shù)據(jù)，對應(yīng)圖4中的app_rdy會向用戶發(fā)起寫命令操作，并降低app_rdy置為低。當(dāng)使用傳統(tǒng)系統(tǒng)處理信號時，phy_init_done置為失效。在app_wdf_data上提交數(shù)據(jù)時，wr_bst_cnt會停止寫操作，導(dǎo)致FIFO不滿，出現(xiàn)壞塊，無法寫入高密度信息。分析圖4可知，使用基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)符合功能設(shè)計的要求。

3.2? 系統(tǒng)讀測試驗證

DDR3讀請求與下行FIFO交互，向DDR3寫入命令，完成高密度數(shù)據(jù)的讀請求操作。傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)讀測試仿真驗證結(jié)果見圖5。

由圖5可知，使用所提系統(tǒng)完成初始化過程后，信號phy_init_done置為有效。當(dāng)DDR3內(nèi)存不滿時，DDR3上行FIFO不滿，對應(yīng)圖5中ddr3_fifo_full和fifo_prog_empty_ddr3_us信號會向用戶發(fā)起讀請求命令操作。而使用傳統(tǒng)系統(tǒng)在讀完一行后，rd?bst?cnt等于32時，會停止操作，出現(xiàn)壞塊，導(dǎo)致系統(tǒng)無法將寫入地址的高密度數(shù)據(jù)讀取出來驗證。由圖5可知，基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)的讀功能符合設(shè)計需求。

4? 結(jié)? 語

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的讀、寫性能差問題，提出基于大數(shù)據(jù)的高密度信息安全存儲系統(tǒng)。在硬件的設(shè)計上，采用Xilinx Virtex6 FPGA，實現(xiàn)控制板之間的高密度數(shù)據(jù)傳輸。在軟件功能的設(shè)計上，采用NAND FLASH作為控制程序，完成整個系統(tǒng)的部分測試。最后，通過仿真實驗，測試兩個系統(tǒng)的讀功能和寫功能是否符合設(shè)計需求。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)方案設(shè)計的可行性更高。

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